PLANE53 单元说明

PLANE53 用于 2 维 (平面和轴对称) 磁场问题的建模。本单元有 8 个节点，每个节点最多 4 个自由度：磁矢量势的 z 分量 (AZ)、时间积分电标量势 (VOLT)、电流 (CURR) 和电动势降 (EMF)。

PLANE53 是以磁矢量势理论为基础的，可以用于以下低频磁场分析：静磁、涡流 (AC 时间谐波和瞬态分析)、电动力磁场 (voltage forced magnetic fields)(静态, AC时间谐波和瞬态分析) 以及电磁-电路耦合场 (静态, AC时间谐波和瞬态分析)。本单元具有非线性磁能力，可用于 B-H 曲线或永久磁体退磁曲线的建模。关于本单元的更多细节见 ANSYS 公司理论手册 中的 PLANE53。类似的 4 节点单元是 PLANE13 (没有电动力势和电磁-电流耦合能力)。

图 53.1 PLANE53 单元几何

PLANE53 输入数据

在图 53.1: "PLANE53 单元几何" 中给出了本单元的几何形状，节点位置和坐标系。单元输入数据包括：8 个节点和磁材料特性。单位类型 (MKS 或用户定义) 由 EMUNIT 命令确定。EMUNIT 也规定 MUZERO 的值。EMUNIT 默认为 MKS 单位，而 MUZERO 默认等于 4 π x 10^-7 henries/meter。除MUZERO 外，正交异性相对导磁率由材料特性表中的 MURX 和 MURY 确定。

MGXX 和 MGYY 表示永久磁性材料矫顽力的矢量分量。矫顽力的大小等于这些分量平方和的平方根。极化方向由分量 MGXX 和 MGYY 确定。永久磁体极化方向和正交异性材料方向与单元坐标系方向一致。单元坐标系的方向在 "坐标系" 中说明。未输入的材料特性其默认值与 线性材料特性 中相同。如 数据表 – 隐式分析 中所述，非线性磁性 B-H 特性用 TB 命令输入。可以将 B-H 曲线和线性相对导磁率相结合来确定非线性正交异性磁性能。在相对导磁率为零的地方，在各单元坐标方向将使用B-H 曲线。一种材料只能规定一条 B-H 曲线。

本单元可以使用不同的节点载荷组合，取决于 KEYOPT(1) 的值。节点载荷用 D 和 F 命令定义。对 D 命令，Lab 变量为自由度 (VOLT 或 AZ)， VALUE 为相应的数值 (时间积分电标量势或磁势量势)。对 F 命令，Lab 变量为力 (AMPS 或 CSGZ)，VALUE 为相应的数值 (电流或磁通量)。如果有节点力，对平面问题应输入每单位厚度的值，对轴对称问题应输入整个 360° 圆周的值。

单元载荷在 节点和单元载荷 中说明。在单元边界上可以用 SF 和 SFE 命令输入 Maxwell 力标记，如 图53.1 "PLANE53 单元几何" 中有圆圈的数字所示。需要计算磁力的表面可以在面载荷命令中用 MXWF 标记来识别 (不要数值)。在这些表面上将计算一个 应力张量以得到磁力。此表面标记应该施加到与需要计算力的物体相邻的 "空气" 单元上。删除 MXWF 表示去掉此标记。在顺序结构分析中，对于兼容的单元，可以使用 Lorentz 和 Maxwell 力 [LDREAD]。

温度 (仅用于计算材料特性) 和磁虚位移体载荷可以输入单元节点的直或单一的单元值 [BF, BFE]。源流密度和电压体载荷可以施加到一个面积 (AREA) 上 [BFA] 或输入单元值 [BFE]。一般地，未给出的节点温度默认为用 BFUNIF 或 TUNIF 命令指定的均匀温度。在顺序结构分析中，对于兼容的单元，可以使用计算得到的焦耳热 [LDREAD]。

对于需要计算局部 Jacobian 力的空气单元，可以用带有 MVDI 标记的 BF 命令，将节点值设置为 1 和 0 来识别。详见 ANSYS 电磁场分析指南。

在 "PLANE53 输入汇总" 中给出了本单元输入数据的一个汇总。在 "单元输入" 中给出了本单元输入数据的一般说明。对于轴对称问题，见 "轴对称单元"。

PLANE53 输入汇总

节点

I, J, K, L, M, N, O, P

自由度

AZ – 如果 KEYOPT(1) = 0

VOLT, AZ - 如果 KEYOPT(1) = 1

AZ, CURR – 如果 KEYOPT(1) = 2

AZ, CURR, EMF – 如果 KEYOPT(1) = 3 或 4

实常数

CARE, TURN, LENG, DIRZ, FILL, VELOX,

VELOY, OMEGAZ, XLOC, YLOC

对于实常数的说明见 表 53.1: "PLANE53 实常数"

材料性能

MUZERO, MURX, MURY, RSVX, MGXX, MGYY, 加上 BH 数据表 (见 数据表 – 隐式分析)

面载荷

Maxwell 力标记 –

边 1 (J-I), 边 2 (K-J), 边 3 (L-K), 边 4 (I-L)

体载荷

温度 -

T(I), T(J), T(K), T(L), T(M), T(N), T(O), T(P)

磁虚位移 –

求解能力 –

生死单元、自适应下降

关键选项

KEYOPT(1) – 单元自由度

0 –AZ 自由度：静态域，包括涡流域；

1 - VOLT, AZ 自由度：电流反馈块导体；

2 - AZ, CURR 自由度：电压反馈导电线圈；

3 - AZ, CURR, EMF 自由度：电流耦合导电线圈；

4 - AZ, CURR, EMF自由度：电流耦合块导体；

KEYOPT(2) – 单元常规速度

0 – 忽略速度影响

1 - 常规速度公式 (KEYOPT(1) = 2, 3 或 4 时不能用)

KEYOPT(3) – 单元行为

0 – 平面

1 – 轴对称

KEYOPT(4) – 单元坐标系

0 - 单元坐标系平行于总体坐标系

1 - 单元坐标系基于单元的 I-J 边

KEYOPT(5) – 额外的单元输出

0 – 基本单元输出

1 – 积分点输出

2 – 节点磁场输出

KEYOPT(7) – 为耦合单元储存磁力

0 – 有中间节点的 (高阶) 结构单元

1 - 没有中间节点的结构单元

表 53.1 PLANE53 实常数

PLANE53 输出数据

与单元有关的结果输出有两种形式：

• 包括在整个节点解中的节点位移。

• 附加的单元输出，见表 53.2 "PLANE53 单元输出定义"；

在图 53.2 " PLANE53 磁单元输出" 中显示了几个输出项。单元输出的方向平行于单元坐标系。在 "结果输出" 中给出了对于结果输出的一般说明。查看的方法见 "ANSYS 基本分析指南"。

由于直角坐标系和极坐标系使用的符号约定不同，对平面 (KEYOPT(3) = 0)和轴对称 (KEYOPT(3) =1) 分析，磁流量密度矢量的方向相反。